Bilgiseller / Gemi makineleri ve enerji
Şaft jeneratörleri: PTO, PTI ve acil sevk modlarında güç akışı
Mekanik ve elektriksel gücü iki yönde izleyin, dönüşüm kayıplarını ekleyin ve acil sevke gerçekten kalan gücü hesaplayın.
Bu sayfada
“Şaft jeneratörü” adı, elektrik makinesinin görevlerinden birini anlatır. Uygun bir kurulumda aynı makine motor olarak da çalışabilir. PTO, sevk hattından mekanik güç alıp geminin elektrik sistemini besler; PTI elektrik gücünü şafta aktararak sevki destekler; acil sevk ise ana makine kullanılamadığında mevcut elektrik kaynağından yararlanır. Bu adlar ancak güç yönü, ekipman sınırları ve çalışmaya devam eden yardımcı sistemler açıkça tanımlandığında anlam kazanır.
Şaft ve bara sınırlarından başlamak
Ortak mekanik referans düzlemi ile dönüştürücüyü besleyen veya ondan güç alan elektrik barası çizilir. Dişli, transformatör, şaft yatağı ve kablo kayıplarının hesabın içinde mi dışında mı olduğu belirtilir. Aksi hâlde iki doğru kW değeri aynı güç yolunun farklı noktalarını tanımlayabilir. Buradaki örneklerde doğrudan bağlı makine kullanılır, dişli ve diğer mekanik iletim kayıpları ihmal edilir; bütün değerler kararlı aktif güçtür.
ABB, şaft jeneratörü paketinde PTO, PTI ve PTH işlevlerini ayrı çalışma modları olarak tanımlar. Bu, kurulu her jeneratörün üçünü de desteklediği anlamına gelmez. Dönüştürücü yapısı, uyartım, soğutma, koruma, mekanik bağlantılar ve kontrol işlevleri kullanılabilir modları belirler. Tek yönlü elektrik güç yolu, ekranda farklı bir ad seçilerek çift yönlü hâle gelmez.
PTO: elektrik talebi mekanik yük ekler
PTO modunda ana makine; pervane gücünü, elektrik üretimi için çekilen mekanik gücü ve hesaba dahil kayıpları sağlar. ηm makine, ηc dönüştürücü verimi ise Pbara = Pşaft,çekilen ηm ηc olur. Belirli bara talebini karşılamak için verimlere bölünür: Pşaft,çekilen = Pbara/(ηm ηc). Bara talebini verimle çarpmak, gerekli girdiyi çıktıdan küçük gösteren yanlış bir hesap olur.
Bu nedenle pervane komutu değişmese bile yeni bir elektrik yükü ana makineyi tork veya güç sınırına yaklaştırabilir. Onaylı stratejiye göre başka bir yükün azaltılması, başka kaynağın devreye girmesi veya üretimin sınırlanması gerekebilir. Tersine büyük bir elektrik yükünün aniden kaybı da şaft yükünü değiştirir. Mekanik üretim ve gemi elektrik güç yönetimi tek bir bağlı enerji sisteminin parçalarıdır.
PTI: güç yön değiştirir, kayıplar ortadan kalkmaz
PTI modunda bara dönüştürücüyü besler, elektrik makinesi tork üretir ve şaft güç alır. İdeal hesap Pşaft,eklenen = Pbara,giriş ηc ηm olur. Kaplinler, şaft hattı ve pervane kabul edebiliyorsa ana makine ile elektrik motorunun katkıları ortak şaft düzleminde toplanabilir.
Elektrik enerjisinin yine bir kaynağı olmalıdır: jeneratör grupları, batarya veya başka uygun kaynak. Şaft jeneratörü aynı enerjiyi bir dönüşüm çevriminde alıp geri vererek net güç kazancı oluşturamaz. Aynı makine zaman içinde rol değiştirebilir, fakat her modun enerji kaynağı ve kayıp yolu açık olmalıdır. “Hibrit destek gücü” mevcut üretim kapasitesiyle karşılaştırılırken bu ayrım özellikle önemlidir.
Dönüştürücü neden değişken devre izin verir?
Senkron makinede p kutup sayısı ve n dakika başına mekanik devir olmak üzere elektrik frekansı f = p n/120 bağıntısıyla bulunur. Örneğin 12 kutuplu makine 500 dev/dak hızda 50 Hz, 400 dev/dak hızda 40 Hz üretir. Uygun ayrıştırma düzeni olmadan bu frekans değişimi sabit frekans beklenen baraya uygun değildir.
ABB değişken frekanslı sürücü açıklaması, dönüşümün kullanılabilir şaft devir aralığını nasıl genişlettiğini gösterir. Makine ve bara tarafı dönüştürücüler, aralarındaki elektrik bağlantısıyla makine frekansını bara frekansından ayırabilir. Bu işlem düşük devir tork, gerilim, akım veya sıcaklık sınırlarını kaldırmaz. Enerjisiz bir barayı da kendiliğinden kurmaz: ada çalışması tasarlanmış gerilim/frekans oluşturma yeteneğini ve yardımcı beslemeleri gerektirir.
Sayısal örnek: aynı sınırda PTO ve PTI
ηm = 0,96 ve ηc = 0,98 sabit varsayılsın; birleşik verim 0,9408 olur. Bunlar eğitim varsayımlarıdır; ABB veya RENK performans iddiası değildir. PTO modunda baraya verilen 900 kW için şafttan 900/0,9408 = 956,63 kW çekilmesi gerekir. Dönüşüm kaybı 56,63 kW olur. Pervane aynı referans düzleminde 5.000 kW istiyorsa ana makine, dışarıda bırakılan iletim kayıplarından önce 5.956,63 kW sağlamalıdır.
Ayrı bir PTI koşulunda baradan çekilen 1.000 kW, şafta 1.000 × 0,9408 = 940,80 kW verir. Ana makine aynı anda 5.000 kW sağlıyorsa pervane düzlemine ulaşan ideal toplam 5.940,80 kW olur. Bu toplam enerji hesabıdır; motor, kaplin, şaft veya pervane sınırını aşma izni değildir. Gerçek kurulumda verimler devir, tork ve sıcaklıkla değişir.
Acil sevk, kalan elektrik bütçesiyle başlar
Tanımlanmış arızadan sonra kullanılabilen üretim baraya 1.600 kW verebilsin. Zorunlu ve çalışmaya devam eden diğer servis yükleri 450 kW istesin. Varsayılan işletme payı için ayrıca 150 kW kapasite ayrılsın. Bu kararlı bütçede sevk dönüştürücüsü en çok 1.600 − 450 − 150 = 1.000 kW çekebilir. Ayrılan pay kullanılmayan kapasitedir; ek fiziksel tüketici değildir.
Aynı eğitim verimleriyle kullanılabilir sevk şaft gücü 940,80 kW olur. Bu, ne 1.600 kW jeneratör toplamıdır ne de otomatik olarak motor etiket gücüdür. Daha büyük motor da bara bütçesiyle sınırlanır; daha küçük motor farklı bir sınır getirir. Geçici yük alma, motor akımı, soğutma ve aşırı yük süresi ayrıca kontrol edilmelidir. Seçilen 150 kW pay bir örnektir, gemilere önerilen ortak yedek güç kuralı değildir.
Düşük devirde güçten önce tork sınırına ulaşılabilir
Mekanik güç P = Tω ve açısal hız ω = 2πn/60 bağıntılarıyla bulunur. 940,80 kW gücü 120 dev/dak hızda vermek yaklaşık 74,87 kN·m tork ister. Aynı güç 60 dev/dak hızda yaklaşık 149,73 kN·m ister. Varsayımsal sürekli tork sınırı 80 kN·m ise 60 dev/dak hızda ancak 80 × 2π × 60/60 = 502,65 kW sağlanabilir.
Dolayısıyla “barada yeterli kilowatt var” ifadesi, motorun düşük devirde gerekli gücü üretebildiğini kanıtlamaz. Dişlili düzen her şaft düzlemindeki tork ve devri değiştirir, kendi sınırlarını ekler. Pervanenin güç çekişi, varsa ayarlanabilir hatve yeteneği ve gemi direnci de erişilebilir çalışma noktasını belirler. Yalnız elektrik bütçesinden acil sevk gemi hızı hesaplanamaz.
Arızalı ana makine incelenmemiş bir yük olmamalıdır
Arızalı ana makinenin fiziksel durumu önemlidir. Güvenli biçimde dönmesi mümkün değilse elektrikli sevk için tasarlanmış ayırma yolu gerekebilir. RENK KAZ, PTH düzeninde kullanılan ana makine ayırma cihazına somut bir örnektir. MARHY şemaları da PTH ve PTI için farklı kavrama ve ana makine durumlarını gösterir. Bunlar ürün örnekleridir; belirtilmemiş bir gemide kavrama işletme talimatı değildir.
Kalan sevk yolunda şaft yağlaması, yataklar, soğutma, gerekiyorsa hatve kontrolü, kumanda beslemesi ve dümen de çalışmalıdır. Ortak soğutma veya elektrik arızası normal ve alternatif sevki birlikte etkisiz bırakabilir. Hangi arızaya karşı kabiliyet iddia edildiği tanımlanmalı ve kalan düzen kontrol edilmelidir. İki enerji kaynağı saymak bağımsızlığı kanıtlamaz. PTH, şaftta elektrik makinesi bulunmasının eş anlamlısı değil, tasarlanıp doğrulanmış bir işlevdir.
Son mod kadar geçişi de değerlendirmek
Doğru bir kararlı durum şeması başarılı geçişi kanıtlamaz. Kurulu sıralama gerekli bara ve yardımcıları oluşturmalı, izin verilen kavrama durumlarını doğrulamalı, tork değişimini yönetmeli ve korumaları eşgüdümlemelidir. Hangi denetleyicinin gerilim/frekansı, hangisinin tork veya aktif gücü belirlediği ve aşırı yükü hangisinin önlediği açık kalmalıdır. Bu arayüzler onaylı devreye alma ve deney programıyla doğrulanır.
Yararlı kayıtta ilk mod, başlatıcı olay, elektriksel ve mekanik kullanılabilirlik, ölçülen güç yönü, kayıp veya verim dayanağı ve sınırlayıcı bileşen bulunur. Yakıt tasarrufu için ayrıca marjinal yakıt tüketimi ve çalışma profili karşılaştırılır; yalnız düşük dönüşüm kaybı yakıt tasarrufu hesabı değildir. Kalıcı kural basittir: enerjiyi kaynağından pervaneye veya tüketiciye izlemek, kayıpları bir kez çıkarmak ve kalan yol üzerindeki bütün sınırları kontrol etmek.